A kapcsolóüzemű tápegység működési elve

A fő előnye a kapcsolóüzemű tápegységek lineáris (nem kapcsolási) felett, hogy a teljesítményátalakítás nagy hatásfokkal és kis alaktényezővel kivitelezhető. Ennek az az oka, hogy a kapcsolótranzisztorban a teljesítmény disszipáció minimális. Ez viszont nagyobb áramkimenetet tesz lehetővé alacsonyabb feszültség mellett, mint a lineáris szabályozók.

A nagyobb energiahatékonyság mellett a kapcsolóüzemű tápegységek jobban ellenállnak a bemeneti ingadozásoknak, mint lineáris társaik. Ennek az az oka, hogy képesek növelni vagy csökkenteni a kimeneti feszültséget, hogy szabályozzák a kimeneti áramot a terhelési követelményeknek megfelelően.

Ezeket a kellékeket háztartási gépekhez, például számítógépekhez és televíziókhoz használják, de ipari környezetben is megtalálhatóak. Ipari környezetben alacsony DC feszültség mellett tömeges áramelosztásra használják, és az egyes berendezések kapcsolóüzemű átalakítókkal is rendelkezhetnek a különböző feszültségek közötti átalakításhoz.

A váltakozó áram egyenárammá alakításának folyamata egy váltakozó áramú bemeneti jellel kezdődik, amelyet egyenirányítanak és szűrnek. Ezt a tápegység központi kapcsolórésze kapja, amely a kimenetet egy vezérlőáramkörnek adja. A vezérlőáramkör ezután a kívánt feszültséget adja a kimenetre.

Ezt a feszültséget ezután a kapcsolóelem szabályozza impulzusszélesség-moduláció (PWM) segítségével. A PWM folyamat némi nagyfrekvenciás zajt produkál, de lehetővé teszi, hogy a kapcsolóüzemű tápegységek rendkívül hatékonyak és kis méretűek legyenek.

A kapcsolóüzemű tápegységek másik fő előnye, hogy úgy tervezhetők, hogy megfeleljenek a harmonikusokra vonatkozó előírásoknak. Ennek az az oka, hogy egy további áramkört használhatnak a nem kívánt harmonikusok kiszűrésére.

Gyakori példa a buck-boost konverter. Ez egy egyszerű, nem szigetelt átalakító, amely egy induktivitást és egy aktív kapcsolót használ.

A szükséges kimeneti feszültség előállítása érdekében a kapcsolótranzisztorok munkaciklusának változtatásával növelhető vagy csökkenthető. Ez a fajta konverter könnyebben integrálható, mint egy transzformátor, mert csak egy tekercsre van szükség, és sokkal nagyobb hatásfokkal képes levezetni a feszültséget, mint egy transzformátor.

Ezek a konverterek tovább optimalizálhatók hatékonyságuk növelése érdekében a kapcsolótranzisztorok bekapcsolási ellenállásának csökkentésével és aktív teljesítménytényező korrekciós áramkör használatával. A legfejlettebb kapcsolóüzemű tápegységek hatékonysága akár 96%-os is lehet.

Ezenkívül a kapcsolóüzemű tápegységek úgy tervezhetők, hogy jobban kezeljék a hőmérséklet-ingadozásokat, mint lineáris társaik. Ennek az az oka, hogy a skin-effektus (a vezető felületének változása által okozott ellenállás nagysága) alacsony frekvenciákon figyelmen kívül hagyható, de magas frekvenciákon nagy energiaveszteséget okozhat.

Ez azt jelenti, hogy a jó kialakítású tápegységek képesek lesznek a feszültség szabályozására anélkül, hogy bármilyen terhelésnél jelentős torzítást okoznának. Biztonsági áramkörökkel is rendelkeznek, amelyek biztosítják, hogy a kimeneti feszültséget ne befolyásolják túlterhelési körülmények vagy egyéb környezeti tényezők.